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Extragalactic test of General Relativity with time-delay gravitational lenses

यह शोध पत्र DESI DR2 डेटा पर टाइम-डिले ग्रेविटेशनल लेंस और गॉसियन प्रोसेस रिग्रेशन का उपयोग करके जनरल रिलेटिविटी का एक मॉडल-स्वतंत्र एक्स्ट्रागैलेक्टिक परीक्षण प्रस्तुत करता है, जो पोस्ट-न्यूटनियन पैरामीटर $\gamma_{\rm PDD}$ और साउंड होराइजन स्केल $r_{\rm d}$ को एक साथ सीमित करता है, और $1\sigma$ के भीतर जनरल रिलेटिविटी के अनुरूप परिणाम पाता है।

मूल लेखक: Wuzheng Guo, Shuo Cao, Qiumin Wang, Yun Chen, Marek Biesiada, Tonghua Liu, Yujie Lian

प्रकाशित 2026-06-24

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Wuzheng Guo, Shuo Cao, Qiumin Wang, Yun Chen, Marek Biesiada, Tonghua Liu, Yujie Lian

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, खिंचावदार ट्रैम्पोलिन (trampoline) है। लगभग एक सदी से, भौतिकविदों का मानना रहा है कि जब आप इस ट्रैम्पोलिन पर एक भारी बॉलिंग बॉल (जैसे कि एक गैलेक्सी) रखते हैं, तो यह एक गड्ढा बनाता है जो मार्बल्स (प्रकाश) के लुढ़कने के मार्ग को निर्देशित करता है। यह अल्बर्ट आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता (General Relativity - GR) का सिद्धांत है। यह इस बात का नियम-पुस्तिका (rulebook) है कि गुरुत्वाकर्षण कैसे काम करता है।

हालाँकि, वैज्ञानिकों ने ब्रह्मांडीय पड़ोस में कुछ अजीब चीजें देखी हैं जो इस नियम-पुस्तिका में पूरी तरह फिट नहीं बैठतीं। क्या गुरुत्वाकर्षण के नियम गैलेक्टिक पैमाने पर हमारे सौर मंडल की तुलना में थोड़े अलग हैं? या ब्रह्मांड की सामग्री (जैसे कि डार्क एनर्जी) के बारे में हमारी समझ थोड़ी गलत है?

यह शोध पत्र एक ब्रह्मांडीय जासूसी कहानी की तरह है जहाँ लेखक गुरुत्वाकर्षण लेंसों (gravitational lenses) को अपने आवर्धक लेंस (magnifying glass) के रूप में उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण की नियम-पुस्तिका का परीक्षण करने का प्रयास करते हैं।

ब्रह्मांडीय आवर्धक लेंस

जब एक विशाल गैलेक्सी हमारे और एक दूर स्थित क्वासर (एक चमकीला ब्रह्मांडीय लाइटहाउस) के बीच स्थित होती है, तो उसका गुरुत्वाकर्षण क्वासर से आने वाले प्रकाश को मोड़ देता है। यह उसी क्वासर की कई छवियां बनाता है, जैसे कि किसी फनहाउस मिरर (funhouse mirror) में प्रतिबिंब देखना।

चूंकि प्रकाश हम तक पहुँचने के लिए अलग-अलग रास्तों का उपयोग करता है, इसलिए यदि लाइटहाउस टिमटिमाता है, तो उसकी सभी छवियां एक ही समय पर नहीं चमकती हैं। इस देरी को "टाइम डिले" (time delay) कहा जाता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि दो धावक एक ही समय में दौड़ शुरू करते हैं लेकिन फिनिश लाइन तक पहुँचने के लिए अलग-अलग रास्तों का उपयोग करते हैं। एक धावक समतल सड़क पर दौड़ता है, दूसरा कीचड़ भरे मैदान से होकर गुजरता है। वे अलग-अलग समय पर पहुँचते हैं। समय के अंतर को मापकर, आप पता लगा सकते हैं कि "कीचड़ भरे मैदान" (गुरुत्वाकर्षण) ने उन्हें कितना धीमा कर दिया।

"लापता" पैमाने (Ruler) का रहस्य

गुरुत्वाकर्षण के रहस्य को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिकों को दो चीजों को मापने की आवश्यकता थी:

प्रकाश कितना मुड़ा (जो हमें गुरुत्वाकर्षण के बारे में बताता है)।
सब कुछ कितनी दूर है।

यहाँ पेच यह है: ब्रह्मांड में दूरी मापने के लिए, आपको आमतौर पर एक "मानक पैमाने" (standard ruler - एक ज्ञात आकार जिससे तुलना की जा सके) की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, वैज्ञानिक इस पैमाने के रूप में बिग बैंग की गूँज (जिसे बेयोनिक एकोस्टिक ऑसिलेशन या BAO कहा जाता है) का उपयोग करते हैं। लेकिन इस पैमाने का उपयोग करने के लिए अक्सर यह मान लेना आवश्यक होता है कि ब्रह्मांड कैसे बना है (जिसे "लैम्ब्डा-सीडीएम" मॉडल कहा जाता है)।

लेखक निष्पक्ष रहना चाहते थे। वे यह मानकर नहीं चलना चाहते थे कि नियम-पुस्तिका सही है, केवल नियम-पुस्तिका का परीक्षण करने के लिए। इसलिए, उन्होंने गौसियन प्रोसेस रिग्रेशन (Gaussian Process Regression - GPR) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग किया।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आपके पास बिखरे हुए कुछ पहेली के टुकड़े हैं जो एक पहाड़ के आकार को दर्शाते हैं। पूरे पहाड़ के आकार का अनुमान लगाने के लिए किसी पाठ्यपुस्तक का उपयोग करने के बजाय, आप बिंदुओं को जोड़ने के लिए एक लचीली, खिंचावदार रबर शीट (GPR) का उपयोग करते हैं। यह आपको किसी पूर्व-निर्मित चित्र में फिट होने के लिए मजबूर किए बिना, डेटा से सीधे पहाड़ के आकार (दूरी) को "पुनर्निर्मित" करने की अनुमति देता है।

प्रयोग

टीम ने चार विशिष्ट ब्रह्मांडीय लेंसों (H0LiCOW सिस्टम) को देखा और उन्हें DESI सर्वेक्षण (एक विशाल टेलीस्कोप प्रोजेक्ट जो ब्रह्मांड का मानचित्रण कर रहा है) के "रबर शीट" दूरी डेटा के साथ जोड़ा।

उन्होंने पूछा: यदि हम बिना किसी विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत को माने समय की देरी और दूरियों को मापते हैं, तो क्या गणित अभी भी आइंस्टीन की सामान्य सापेक्षता की ओर संकेत करता है?

परिणाम

इसका उत्तर एक जोरदार "हाँ, काफी हद तक" है।

स्कोर: उन्होंने $\gamma_{PPN}$ नामक एक संख्या की गणना की। यदि आइंस्टीन 100% सही हैं, तो यह संख्या ठीक 1 होनी चाहिए।
निष्कर्ष: उनका परिणाम 0.93 था, जिसमें त्रुटि की एक सीमा (margin of error) है जो इसे लगभग 0.76 और 1.09 के बीच कहीं भी रख सकती है।
फैसला: चूंकि 1 उस सीमा के भीतर आराम से आता है, इसलिए उनके परिणाम आइंस्टीन के सिद्धांत के अनुरूप हैं। गुरुत्वाकर्षण, यहाँ तक कि संपूर्ण गैलेक्सी के पैमाने पर भी, उन्हीं नियमों का पालन करता है जैसा कि हमारे सौर मंडल में होता है।

वे पहली बार बिना किसी विशिष्ट ब्रह्मांड मॉडल को माने, उस "मानक पैमाने" (साउंड होराइजन) के आकार को मापने में भी सफल रहे, जो लगभग 136 मिलियन प्रकाश वर्ष पाया गया। दिलचस्प बात यह है कि यह संख्या कुछ अन्य उच्च-तकनीकी मापों (प्लांक सैटेलाइट से) की तुलना में थोड़ी कम है, जो "हबल टेंशन" (ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैल रहा है, इस पर एक असहमति) के रहस्य में एक और परत जोड़ती है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह अध्ययन विशेष है क्योंकि यह एक मॉडल-स्वतंत्र परीक्षण (model-independent test) है। अधिकांश पिछले परीक्षणों के लिए अपना उत्तर प्राप्त करने के लिए यह मान लेना आवश्यक था कि ब्रह्मांड एक निश्चित तरीके से बना है। इस टीम ने कहा, "आइए बस कच्चे डेटा को देखें और देखें कि गुरुत्वाकर्षण कैसा दिखता है।"

उन्होंने पाया कि, वर्तमान डेटा की सीमाओं के भीतर, आइंस्टीन की सामान्य सापेक्षता अभी भी गुरुत्वाकर्षण कैसे काम करता है, इसका सबसे अच्छा वर्णन करने के रूप में कायम है। यह एक नए, अनछुए शहर में भौतिकी के नियमों की जांच करने और यह खोजने जैसा है कि यातायात के नियम बिल्कुल घर के समान ही हैं।

तकनीकी सारांश: समय-विलंब गुरुत्वाकर्षण लेंसों के साथ गैलेक्सी के बाहर सामान्य सापेक्षता का परीक्षण

समस्या विवरण
सामान्य सापेक्षता (GR) आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान का आधार है, फिर भी परिशुद्धता के युग ने ऐसी विसंगतियों (जैसे $H_0$ और $S_8$ ) को प्रकट किया है जो अनपेक्षित व्यवस्थित प्रभावों या मानक $\Lambda$ CDM मॉडल से परे नए भौतिकी की आवश्यकता का संकेत दे सकती हैं। जबकि GR का सौर मंडल के भीतर (जैसे कैसिनी मिशन) कड़ाई से परीक्षण किया गया है, सैद्धांतिक तंत्र जैसे कि स्क्रीनिंग प्रभाव या चैमेलियन तंत्र (chameleon mechanisms) स्थानीय वातावरण में विचलन को दबा सकते हैं, जिससे किलोपारसेक (kpc) पैमाने पर गैर-रैखिक शासन (non-linear regime) में परीक्षण आवश्यक हो जाता है। स्ट्रॉन्ग ग्रेविटेशनल लेंसिंग (SGL) का उपयोग करने वाले पिछले गैलेक्सी के बाहर के परीक्षण विशिष्ट ब्रह्मांडीय मॉडलों (आमतौर पर $\Lambda$ CDM) पर उनकी निर्भरता या एथरिंग रिकिप्रोसिटी फॉर्मूला (Etherington reciprocity formula) का उपयोग करके ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस ( $D_L$ ) को एंगुलर डायमीटर डिस्टेंस ( $D_A$ ) में बदलने की आवश्यकता के कारण सीमित रहे हैं, जो पूर्वाग्रह (biases) पेश कर सकते हैं। पैरामीटराइज्ड पोस्ट-न्यूटनियन (PPN) पैरामीटर $\gamma_{PPN}$ (जहाँ $\gamma_{PPN}=1$ GR में है) और साउंड होराइजन स्केल ( $r_d$ ) को बिना ब्रह्मांड की सामग्री या गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत को माने, एक साथ बाधित करने के लिए एक मॉडल-स्वतंत्र दृष्टिकोण की महत्वपूर्ण आवश्यकता है।

कार्यप्रणाली
लेखक H0LiCOW स्ट्रॉन्ग लेंसिंग सिस्टम से प्राप्त टाइम-डिले मेजरमेंट्स और बेरियन एकोस्टिक ऑसिलेशन (BAO) डेटा से प्राप्त पुनर्निर्मित एंगुलर डायमर डिस्टेंस का संयोजन करते हुए एक मॉडल-स्वतंत्र ढांचा नियोजित करते हैं।

सैद्धांतिक ढांचा: यह अध्ययन टाइम-डिले डिस्टेंस ( $D_{\Delta t}$ ) और लेंस तक एंगुलर डायमीटर डिस्टेंस ( $D_l$ ) के बीच संबंध का उपयोग करता है। संशोधित गुरुत्वाकर्षण (modified gravity) में, वेइल पोटेंशियल (Weyl potential), न्यूटोनियन पोटेंशियल से भिन्न होता है, जो $\gamma_{PPN}$ पेश करता है। लेखक एक संबंध व्युत्पन्न करते हैं जहाँ अनुमानित लेंस दूरी $D'_l$ , GR दूरी $D_l$ से इस प्रकार संबंधित है: $D'_l = \frac{1+\gamma_{PPN}}{2} D_l$ ।
डेटा पुनर्निर्माण (GPR): ब्रह्मांडीय मॉडल के पूर्वाग्रह से बचने के लिए, लेखक गॉसियन प्रोसेस रिग्रेशन (GPR) का उपयोग करके एंगुलर BAO स्केल $\theta(z)$ को पुनर्निर्मित करते हैं। यह पुनर्निर्माण डार्क एनर्जी स्पेक्ट्रोस्कोपिक इंस्ट्रूमेंट (DESI) डेटा रिलीज 2 (DR2) से नवीनतम BAO मापों का उपयोग करता है, जिसे SDSS DR16 (LRGs, ELGs, क्वासर और Ly $\alpha$ फॉरेस्ट सहित) और पिछले SDSS/DES ट्रांसवर्स BAO मापों द्वारा पूरक किया गया है। यह डेटासेट $0.4 < z < 4.2$ की रेडशिफ्ट रेंज को कवर करता है, जिससे एक्सट्रपलेशन (extrapolation) की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।
लेंसिंग सैंपल: विश्लेषण चार H0LiCOW लेंस सिस्टम (RXJ1131-1231, PG1115+080, B1608+656, और J1206+4332) पर केंद्रित है जो $D_{\Delta t}$ और $D_l$ दोनों के लिए माप प्रदान करते हैं। लेखक H0LiCOW द्वारा प्रदान किए गए पोस्टीरियर डिस्ट्रीब्यूशन (MCMC चेन्स या पैरामेट्रिक PDFs) का उपयोग करते हैं।
विश्लेषण रणनीति:
- Simultaneous Estimation (एक साथ अनुमान): पुनर्निर्मित $\theta(z)$ (जो $r_d$ पर निर्भर है) को लेंस अवलोकनों के साथ जोड़कर, लेखक $\gamma_{PPN}$ और $r_d$ का एक साथ अनुमान लगाते हैं।
- दूरी अनुपात विधि (Distance Ratio Method): $r_d$ द्वारा उत्पन्न पूर्वाग्रह को और कम करने के लिए, एक दूसरा विश्लेषण दूरी अनुपात $D_{\Delta t}/D'_l$ का उपयोग करके किया जाता है। यह अनुपात एंगुलर डायमीटर दूरियों के अनुपात ( $D_s/D_{ls}$ ) पर निर्भर करता है, जो सीधे पुनर्निर्मित $\theta(z)$ से प्राप्त होता है, जो प्रभावी रूप से साउंड होराइजन स्केल $r_d$ पर स्पष्ट निर्भरता को हटा देता है।

प्रमुख योगदान

प्रथम समवर्ती मॉडल-स्वतंत्र माप: यह शोध पत्र ब्रह्मांड की सामग्री या किसी विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत को माने बिना $\gamma_{PPN}$ और $r_d$ का पहला समवर्ती मॉडल-स्वतंत्र माप प्रस्तुत करता है।
प्रत्यक्ष $D_A$ पुनर्निर्माण: पिछले अध्ययनों के विपरीत जो $D_L$ (सुपरनोवा से) को $D_A$ में बदलने पर निर्भर थे, यह कार्य सीधे BAO डेटा पर GPR का उपयोग करके एंगुलर BAO स्केल $\theta$ को पुनर्निर्मित करता है, जो $D_A$ के लिए अधिक मजबूत और प्रत्यक्ष मार्ग प्रदान करता है।
पूर्वाग्रह में कमी: दूरी अनुपात विधि ( $D_{\Delta t}/D'_l$ ) का परिचय $\gamma_{PPN}$ को बाधित करने के लिए एक परिष्कृत दृष्टिकोण प्रदान करता है, जो साउंड होराइजन स्केल $r_d$ द्वारा उत्पन्न डिजनरेसी और पूर्वाग्रह को हटा देता है।

परिणाम

प्राथमिक बाधाएं (Primary Constraints): चार H0LiCOW लेंसों और GPR-पुनर्निर्मित दूरियों के आधार पर, लेखक अनुमान लगाते हैं:
- $\gamma_{PPN} = 0.93^{+0.16}_{-0.17}$
- $r_d = 136.36^{+5.14}_{-3.20}$ Mpc
  ये परिणाम $1\sigma$ के भीतर GR भविष्यवाणी ( $\gamma_{PPN}=1$ ) के अनुरूप हैं।
परिष्कृत बाधाएं (Refined Constraints): $r_d$ $r_{d}$ पूर्वाग्रह को समाप्त करने के लिए दूरी अनुपात विधि का उपयोग करते हुए, PPN पैरामीटर पर प्रतिबंध में सुधार होता है:
- $\gamma_{PPN} = 0.89^{+0.19}_{-0.15}$
  यह परिणाम भी GR भविष्यवाणियों के साथ अच्छी तरह से संरेखित है।
साउंड होराइजन टेंशन: व्युत्पन्न $r_d$ का मान Planck 2018 परिणाम ( $147.09 \pm 0.26$ Mpc) के साथ तनाव (2.7 $\sigma$ के भीतर) दिखाता है, जो अन्य लो-रेडशिफ्ट अवलोकनों के अनुरूप है और संभावित रूप से हबल टेंशन (Hubble tension) का संकेत देता है।

महत्व
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह गैलेक्सी के बाहर के पैमानों पर सामान्य सापेक्षता का सीधा परीक्षण प्रदान करता है। परिणाम दर्शाते हैं कि GR किलोपारसेक (kpc) पैमाने पर $1\sigma$ के भीतर सत्य है, जो पिछले सौर मंडल परीक्षणों और अन्य ब्रह्मांडीय जांचों (जैसे SLACS और CMB विश्लेषण) के अनुरूप है। $\gamma_{PPN}$ और $r_d$ का एक मॉडल-स्वतंत्र माप प्राप्त करके, यह अध्ययन GR का एक मजबूत सत्यापन प्रदान करता है जो $\Lambda$ CDM मॉडल की धारणाओं से मुक्त है। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि वर्तमान प्रतिबंध GR के अनुरूप हैं, भविष्य का डेटा, जैसे कि चाइना स्पेस स्टेशन टेलीस्कोप (CSST), जो 160,000 गैलेक्सी-स्केल स्ट्रॉन्ग लेंसिंग सिस्टम का पता लगाने की उम्मीद करता है, और भी अधिक कड़े परीक्षण, विशेष रूप से स्क्रीनिंग प्रभावों के संबंध में, प्रदान कर सकता है।

ब्रह्मांडीय आवर्धक लेंस

"लापता" पैमाने (Ruler) का रहस्य

प्रयोग

परिणाम

यह क्यों महत्वपूर्ण है

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